EKO STILL MINI
Úvod
Kúpil som si kvalitný značkový nerezový tlakový hrniec, tak je rozhodnuté. Mojím cieľom je navrhnúť takú konštrukciu, aby boli dosiahnuteľné parametre oboch návrhov rovnaké. Bez elektronickej podpory to bude ťažšie, ale "nič nie je nemožné" :). Najdôležitejšou úlohou bude nájsť optimálny pomer medzi primárnym a sekundárnym chladičom. Úlohou primárneho chladiča je zkondenzovať paru z deflegmátora a vytvoriť taký objem spätného toku, aby vyhovel rozsahu požadovaného refluxného pomeru. Predpokladám, že teplota pary na vstupe primárneho chladiča z deflegmátora by mala byť rovnaká /len zmena skupenstva/ ako teplota kondenzátu na výstupe primárneho chladiča vracajúceho sa späť do deflegmátora vo forme refluxu. Obsah alkoholu v pare na vstupe p-chladiča je úmerný teplote pary. Tomu zodpovedá rýchlosť pary cca 10cm/s v deflegmátore Cu=35mm a rýchlosť pary 30cm/s v p-chladiči Cu=10mm.
Poznámka:
Tepelná zmena výkonu špirály má dlhšiu časovú odozvu, než zmena tlaku, ktorú zmena výkonu špirály spôsobila nie len v kotli, ale aj v hlave deflegmátora a teda aj na vstupe p-chladiča. Zmena teploty v kotli vyvolá zmenu tlaku v hlave deflegmátora a zmena tlaku vyvolá zmenu teploty pár v chladiči.
Závislosť rýchlosti destilácie od výkonu chladiča a požadovaného refluxného pomeru
- Prekročením maximálnej rýchlosti destilácie výkon p-chladiča nestačí kondenzovať všetku paru. Nedá sa zvyšovať refluxný pomer. Neskondenzovaná para vstupuje do sekundárneho chladiča. Destilát má vyššiu teplotu než požadovanú. Ak z výstupu s-chladiča začína vychádzť para, výkon s-chladiča nestačí ani na kondenzovanie pary. Úlohou optimálne dimenzovaného s-chladiča je len ochladiť kondenzát z p-chladiča. Poddimenzovaný p-chladič sa refluxom nahradiť nedá, lebo zvyšovať refluxný pomer môžeme len vtedy, ak má chladič rezervu vo výkone.
- Optimálny rozsah rýchlosti destilácie je taký, ktorý umožňuje nastaviť požadovaný refluxný pomer počas celej destilácie.
- Prekročením minimálnej dimenzovanej rýchlosti destilácie /nedostatok pary pre tvorbu kondenzátu dimenzovaného p-chladiča/. Nenastane kondenzácia a nedôjde k refluxu. Všetka para vstupuje do sekundárneho chladiča v ktorom sa kondenzuje a ochladzuje.
Pre výpočet vzdušného chladiča pre odvod tepla sálaním treba vypočítať, alebo experimentálne zmerať aký výkon dokáže uchladiť sálaním pri teplote 20oC medená truka s vnútorným priemerom 8mm dĺžky 10m orientovaná horizontálne ak ňou preteká para rýchlosťou 0,3m/s. Vychádzam z predpokladu, že priemer cievky je 150mm, medzizávitová medzera je 20mm, výška deflegmátora 500mm s primárnou cievkou nad deflegmátorom. Para má na vstupe teplotu 90oC, na výstupe 30oC. Požadovaný výkon chladiča pri chladení sálaním by mal byť minimálne 350W. Mojou ďalšou úlohou je podložiť moje úvahy a odhady čo najjednoduchšími výpočtami pomocou stredoškolskej fyziky.
Výpočet celkových teplotných pomerov v procese destilácie
Nech celkove teplo špirály Q sa rozdelí na teplo Q1 pre ohrev kvasu + hrnca + deflegmátora, teplo na odparovanie kvasu Q2, teplo na kondenzovanie pary Q3 primárnym chladičom a teplo Q4 na ochladenie kondenzátu sekundárnym chladičom:
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
P.t = m1.c1.(T2-T1) + m2.l2 + m3.l3 + m4.c4.(T3 - T4)
Q Výpočet celkovej spotreby tepla v procese destilácie
Potrebn[ energiu pre proces destilácie Q /Joulove teplo/ bude dodávať elektrická špirála s výkonom P1=600 [W] za čas t1=1 [h] a P2=300 [W] za čas t2=2 [h]:
Q = Qa + Qb = P1 . t1 + P2 . t2 = 800 [W] . 1 [h] + 400 [W] . 2 [h] = 1600 [W/h] = 1,6 [kW/h]
Q = 800 [W] . 3600 [s] + 400 [W] . 7200 [s] = 5760 [kJ]
Q1 Výpočet tepla na ohrev kvasu a kolony z 20oC na 90oC
Budeme ohrievať rôzne látky s rôznou hmotnosťou. Na výpočet tepla použijeme vzorec Q = m . c [T2 - T1] .
Q1 = Qa + Qb + Qc + Qd = (T2 - T1) . (ma . ca + mb . cb + mc . cc + md . cd)
Q1 = (90 [oC] - 20 [oC]) . (4,4 [kg] . 4180 [J/kg.K] + 0,6 [kg] . 2470 [J/kg.K] + 2,5 [kg] . 500 [J/kg.K] + 2,5 [kg] . 380 [J/kg.K])
Q1 = 70 . (18392 + 1482 + 1250 + 950) = 70 . 22074 = 1545180 [J]
Q1 = 1545 [kJ]
Konštanty pre výpočet:
Teplota: T1=20oC je počiatočná, T2=90oC je konečná teplota
Hmota: kvas ma=4,4 [kg], etanol mb=0,6 [kg], nerez mc=2,5 [kg], meď md=2,5 [kg]
Merná tepelná kapacita: kvas ca=4180 [J/kg.K], etanol cb=2470 [J/kg.K], nerez cd=500 [J/kg.K], meď cc=380 [J/kg.K]
Merné skupenské teplo odparovania/kondenzovania: voda la=2,256.106 [J/kg], etanol lb=0,8.106 [J/kg]
Q2 výpočet tepla na výrobu pary
Predpokladajme, že kvas obsahuje 13 % etanolu. Potom 5 [l] kvasu obsahuje 0,6 [l] 100% etanolu. Máme teda vyrobiť toľko pary, aby sme destiláciou bez refluxu získali 1 [l] 50% destilátu. Potrebné teplo na odparenie alkoholu z vriaceho kvasu Q2 vypočítame z tepla potrebného na odparenie vody Qa a alkoholu Qb zo vzťahu Q=m.l :
Q2 = Qa + Qb = ma . la + mb . lb = 0,6 [kg] . 2,256.106 [J/kg] + 0,6 [kg] . 0,8.106 [J/kg] = 1,3536.106+ 0,48.106 = 1,8336.106 [J]
Q2 = 1834 [kJ]
Q3 výpočet tepla na kondenzáciu pary
Potrebné teplo na kondenzáciu vriacej pary Q2 vypočítame z tepla potrebného na kondenzáciu vody Qa a alkoholu Qb zo vzťahu Q=m.l.
Q3 = Qc + Qd = mc . la + mc . lb = 0,5 [kg] . 2,256.106 [J/kg] + 0,5 [kg] . 0,8.106 [J/kg] = 1,128.106 + 0,4.106 = 0,528.106 [J]
Q3 = 528 [kJ]
Q4 výpočet tepla na ochladenie kondenzátu na 30oC
Predpokladáme, že s-chladič má ochladiť 1kg 50% destilátu /voda + etanol/. Teplo na ochladenie kondenzátu Q4 odoberané s-chladičom vypočítame z hmoty kondenzátu ma=mb=0,5 [kg], mernej tepelnej kapacity kondenzátu ca=4180 [J/kg.K], cb=2470 [J/kg.K] a rozdielu medzi počiatočnou teplotou destilátu na vstupe s-chladiča T3=90oC a požadovanou teplotou destilátu na výstupe s-chladiča T4=30oC. Postup je rovnaký ako pri výpočte Q1.
Q4 = Qa + Qb = (T3 - T4) . (ma . ca + mb . cb)
Q4 = (90 [oC] - 30 [oC]) . (0,5 [kg] . 4180 [J/kg.K] + 0,5[kg]. 2470 [J/kg.K])
Q4 = 60 . (2090 + 1235) = 199500 [J]
Q4 = 200 [kJ]
Dosadením do rovnice celého procesu destilácie dostaneme rovnicu pre výpočet rovnováhy tepelných pomerov najdôležitejších častí destilačného prístroja:
| Q [kJ] |
= | Q1 ohrev |
+ | Q2 para |
+ | Q3 kondenz. |
+ | Q4 ochlad. |
+ | Q5 Straty |
| Qa+Qb | = | Qa+Qb+Qc+Qd | + | Qa+Qb | + | Qc+Qd | + | Qa+Qb | + | - |
| 4320 | = | 1545 | + | 1834 | + | 528 | + | 200 | + | -213 |
| 4320 | = | 4107 | + | -213 | ||||||
| 1200W | = | 429W | + | 509W | + | 147W | + | 55W | + | -60W |
| 1200W | = | 1140 | + | -60W | ||||||
Pre lepšiu predstavu uvádzam aj energetickú bilanciu vo watoch.
Takto by mala vyzerať tepelná bilancia optimálneho návrhu. Niekoľko krát som celý výpočet kontroloval aby som sa naň mohol spoľahnúť pri konštrukcii. Pravá strana rovnice sa líši od ľavej strany rovnice o 213 kJ (60 W). Rozdiel medzi pravou a ľavou stranou rovnice 4% som uviedol ako tepelné straty Q5. Vypočítané výsledky sa zhodujú s nameranými.